Файл: Фаддеев И.П. Эрозия влажнопаровых турбин.pdf

влагой, или о твердую поверхность приводит к разбрызгиванию влаги. При разбрызгивании образуются дополнительные потоки

ток НА. Спектр размеров капель, отраженных при встрече с ра­ бочей лопаткой, и их траектории в сильной степени зависят от начальных условий соударения, режима работы ступени, конфи­ гурации профиля лопатки РК и степени эрозионного износа по­ верхности входной кромки. Анализ условий входа капельной влаги в рабочее колесо показывает, что на большей длине по вы­ соте рабочих лопаток ЧНД современных влажнопаровых ступеней по выпуклой стороне входной кромки удар капель о ее поверх­ ность близок по направлению к нормальному. Часть скругленной поверхности входной кромки или место перехода скругления носика профиля в обвод выпуклой поверхности может попасть под воздействие полной величины относительной скорости капли, на­ правленной к указанным местам обвода нормально. По мере уда­ ления от входной кромки по ширине рабочей лопатки угол встречи капли с поверхностью лопатки и нормальная составляющая ско­ рости соударения уменьшаются.

Различные начальные условия соударения приводят к возник­ новению сложных потоков отраженных капель полидисперсного спектра. Входящие в состав спектра отраженные капли оказы­ вают значительное влияние на эрозионную стойкость ступени. При ударе потока капель о поверхность рабочей лопатки по экс­ периментам ЛПИ можно различить три основных потока отражен­ ных крупных капель: первый — вдоль поверхности соударения, второй — под углом 5—15° к поверхности и третий — под боль­ шими углами к поверхности, вплоть до 90°. Первый поток несет наиболее крупные капли, выбиваемые первичными каплями из пленки, покрывающей поверхность лопатки. Размер капель пер­ вого потока и скорость разлета по экспериментам ЛПИ может превосходить размер первичных капель, ударяющихся в пленку. Замечена тенденция роста радиуса отраженных капель при умень­ шении угла между касательной к поверхности соударения и на­ правлением движения первичных капель. Второй капельный по­ ток состоит из капель меньшего размера, чем первичные, скорость разлета капель также меньше скорости подхода к лопатке первич­ ных капель. Третий поток включает капли несколько больших размеров, чем во втором потоке.

Особенность образования и интенсивности третьего потока на лопатках с достаточно глубокой бороздчатой или кратерной эро­ зией состоит в повышении интенсивности потока за счет увеличе­ ния вылета отраженных капель в направлении подлета первичных капель. При этом боковые поверхности кратеров и бороздок слу­ жат направляющими для вылета отраженных капель. Физическая картина образования отраженных капель была исследована в ЛПИ с помощью скоростной киносъемки на пародинамическом стенде

101

ПС-1 и в специальной вакуумной трубе с киносъемкой удара па­ дающей капли на оребренную поверхность.

Составленная схема образования отраженных потоков была использована для расчета скорости и траекторий движения влаги в осевом зазоре между НА и РК и в канале рабочего колеса. В ка­ честве примера расчета скорости и траектории были выполнены для последней ступени турбины ЛМЗ типа К-50, К-ЮО с длиной рабочей лопатки 665 мм. В пяти сечениях по высоте ступени был рассчитан разгон крупнодисперсной влаги за направляющими лопатками по методике, изложенной в данной главе. По резуль­ татам расчетов для капель различных радиусов были построены треугольники скоростей и определено изменение нормальной со­ ставляющей взаимодействия капель с выпуклой поверхностью в осевом направлении вдоль канала.

Начальная скорость отраженных капель периферийных сече­ ний в соответствии с данными экспериментов ЛПИ для первичных капель, имевших угол взаимодействия с поверхностью рабочей лопатки, близкий к 90°, принималась равной 0,4 от нормальной составляющей взаимодействия. Рассматривались траектории ка­ пель 5—25 мкм. Для отраженных капель, двигающихся под боль­ шими углами к поверхности соударения, начальные скорости при­ нимались равными 0,2 от нормальной составляющей. Условия формирования отраженного потока капель в прикорневой области значительно отличаются от условий в остальных вышележащих сечениях. Крупные капли радиусом более 35—40 мкм в прикорне­ вых сечениях соударяются с выпуклой поверхностью входной части лопатки под острыми углами. В этом случае касательная составляющая относительной скорости соударения больше нор­ мальной и она определяет направление и скорость отраженных и выбитых из пленки капель. Для довольно значительной части спектра крупных капель радиусом менее 20—25 мкм при встрече с выпуклой поверхностью лопатки касательная составляющая направлена в сторону движения пара в канале РК-

Траектории движения отраженных капель в канале РК были рассчитаны по (III.13) с переходом к относительным скоростям.

достигают вогнутой поверхности канала и вычищают ее от отло­ жений (штриховая линия контура профиля).

Аналогичная картина вычищенных поверхностей на последней лопатке ЧНД мощной паровой турбины была выявлена при обсле­ довании на турбине во время ее ревизии (см. рис. И, 3,

III, а— в).

На рис. III. 13 показано изменение ударной составляющей ско­ рости капель на входной части выпуклой поверхности входной кромки профиля рабочей лопатки (кривая 7) и на вогнутой по­

102

верхности выходной кромки профиля рабочей лопатки (кривая 8). Как следует из расчета, ударные составляющие от отраженных капель ниже пороговых. Поэтому под действием отраженных ка­ пель не возникает эрозии вогнутой поверхности рабочих лопаток.

Капли влаги, сброшенные при ударе в осевой зазор, между НА и РК будут двигаться против потока пара. Как показали рас-

Рис. III .13. Траектории движения отраженных капель в осевом зазоре 18-й ступени турбины К-50-90-2 ЛМЗ для нормального режима работы ступени:

1 — 25 мкм; 2 — 20 мкм; 3 — 15 мкм; 4 — 10 мкм; 5 — 7,5 мкм; 6 — 5 мкм; 7, 5 — нор­ мальные составляющие скорости удара капель соответственно на выпуклой и вогнутой

поверхностях профиля лопатки РК

четы, часть капель, радиус которых менее 17—15 мкм, разворачи­ вается потоком пара, выходящим из НА, и снова попадает в ка­ налы РКБолее крупные капли достигают выпуклой поверхности лопаток НА в области косого среза сопел. Эти капли при ударе вычищают поверхность лопаток НА от отложений (рис. I. 11).

При расчете траекторий обратного движения капель (кри­ вые 1—5) было использовано уравнение (ШЛО). Для решения плоской задачи на ЭЦВМ решались два первых уравнения (III. 13).

25. ДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ ПО РАБОЧИМ ЛОПАТКАМ

Поступающая из каналов НА влага в ступенях ЧНД, подвер­ женных сильной эрозии, а также капельная влага, образованная при ударе и разбрызгивании, в основном является крупнодисперс­ ной. Приведенные выше расчеты показали, что капли радиусом более 0,5 мкм, т. е. подавляющая доля влаги в потоке промежуточ­ ной влажнопаровой ступени, при прохождении осевого зазора между НА и РК поступают на лопатки РК со значительными отри­ цательными углами атаки, взаимодействуют с выпуклой поверх­ ностью рабочих лопаток, частично дробятся и отражаются в поток, частично оседают в виде пленок и струек на выпуклой поверхности

103

лопаток. При ударе о вогнутую поверхность лопаток НА концен­ трированного потока капель, сорванного с выпуклой поверхности второй лопатки канала НА, может образоваться поток капель, попадающий в относительном движении на вогнутую поверхность

каналов РК.

Осевшая на поверхность рабочей лопатки влага под действием сил трения, инерционных, аэродинамических и гравитационных сил движется по профильным поверхностям с положительной ра­ диальной составляющей скорости перемещения частиц влаги. Тео­ ретически задача перемещения частицы по вращающейся пластине без учета сил трения была решена Е. Миллисом [76], Е. Кржижа­ новским [73] и применительно к профильным турбинным лопат­ кам Ф. В. Казинцевым [7]. С учетом силы трения в предположе­ нии пропорциональности ее относительной скорости движения влаги задача движения материальной частицы по плоским поверх­ ностям вращающейся турбинной лопатки была решена И. И. Ки­ рилловым и Р. М. Яблоником [23].

В безразмерном виде проекции вектора ускорения капли на оси: х, направленную по касательной к поверхности лопатки пер­ пендикулярно радиальной оси г, и г равны:

R — корневой, средний или периферийный радиус ступени; со ■— угловая скорость; k — постоянный коэффициент.

Для удобства решения системы (III.32) на ЭЦВМ применим спо­ соб конечных разностей и преобразуем ее в систему уравнений:

x (т + Ат) = х (т) + Ах;

г (т + Ат) = г (т) + Аг.

104

Профильные поверхности рабочей лопатки, выпуклую и во­ гнутую, можно рассматривать состоящими из ряда вписанных в профильные поверхности пластин с различными углами уста­ новки р. Решением уравнений (III.33) для каждой пластины можно построить траектории движения капель по поверхностям лопатки. При решении уравнений (III.32), (III.33) необходимо выбрать зна­ чение коэффициента k '. В наших расчетах [55,22] значение k' было выбрано равным 0,5. При этой величине коэффициента про­ порциональности было получено достаточно хорошее совпадение экспериментальной кривой распределения влажности по высоте ступени с расчетной кривой распределения, полученной пересчетом схода влаги с выходной кромки рабочей лопатки по траекториям. Попытки экспериментального определения коэффициента про­ порциональности по сравнению расчетных и экспериментальных траекторий на поверхности плоского вращающегося диска были затруднены нечеткостью вида траекторий с увеличением угловой скорости вращения.

Кроме того, при движении по поверхности вращающегося диска помещенной в центре диска капли часть ее массы остается на диске, следовательно, при расчете траекторий следует рассматривать дви­ жение точки с переменной массой, что значительно усложняет решение. С увеличением угловой скорости диска траектории ка­ пель по его поверхности получаются с малой искривленностью в сторону вращения, поэтому выбор численного значения коэф­ фициента пропорциональности по эталонной расчетной сетке кри­ вых также допускает большие погрешности. При анализе решения уравнений (III.33) в [7,23] показано, что капли влаги, попавшие на выпуклую и вогнутую поверхности лопатки РК, установлен­ ную под углом |31 < 90°, под действием кориолисовой силы будут увлекаться к входной кромке. На поверхностях с установкой под углом 90° траектории должны быть близки к радиальным, а для поверхностей, примыкающих к выходной кромке (рх >90°), траек­

для вогнутой и A ±B для выпуклой поверхности (рис. III .14), осев­ шие капли преимущественно должны двигаться к входной кромке. Дойдя до входной кромки, капля в зависимости от геометрии и условий обтекания потоком входной кромки или будет сброшена с лопатки в поток или перейдет с вогнутой на выпуклую'поверх­ ность в точке В, для которой 90°. Некоторые капли или струйки, движущиеся по выпуклой и вогнутой поверхностям, могут в прикорневой области двигаться в сторону входной кромки, затем в области точки В изменить направление движения и дви­ гаться к выходной кромке.

Определяющее значение на форму и вид траекторий капель, кроме геометрии лопатки, оказывают начальные условия попада­

ния капель на поверхность лопатки — wXo, wr<>, х 0, г 0 и т. д. Начальные условия попадания капель на лопатку определяются

105

выбором эрозионноопасного потока, поступающего из каналов НА. Наиболее эрозионноопасными являются кромочный поток капель и отраженные потоки, образующиеся у входных кромок рабочих лопаток. Большое эрозионное воздействие оказывает периферий­ ный концентрированный поток. Порядок расчета начальных усло­ вий входа капель в рабочее колесо был приведен выше.

Рис. III. 14. Движение влаги в ступени: а — схема движения и следы движения по отложениям на вогнутой (б) и выпуклой (в) сторонах рабочей лопатки 16-й ступени турбины К-50-90-2 (90 000 ч):

1 — зона сильных отложений; 2 — место сброса влаги с входной кромки; 3 — зона сла­ бой эрозии; 4, 5 — зоны сброса влаги против потока и по потоку. RS, PQ — траектории движения влаги от скрепляющих проволок

В связи с большим влиянием начальных условий на траектории капель следует еще раз подчеркнуть разницу в результатах рас­ четов для натурной и модельной проточной части, смоделирован­ ной геометрически в определенном масштабе. Как было показано [5], на среднем диаметре последней ступени турбины ЭТП-Н ЛМЗ при расчетных путях капель для натуры и модели соответ­ ственно 240 и 80 мм увеличение скорости разгона капли радиусом 15 мкм в натурной ступени в конце осевого зазора по сравнению с модельной ступенью (масштаб моделирования 1 : 3) было в 1,5 раза больше. Для капель радиусами 25, 50 и 100 мкм это соотношение примерно сохраняется. Для периферийного сечения рабочей лопатки разница в разгоне капель 15 мкм и более круп­ ных— до 100 мкм — возрастает до 1,55—1,65. В результате этого,

106

в модельных и натурных, ступенях при одинаковых параметрах отличаются.

В экспериментах МЭИ [7 ] было установлено, что часть жидкости в точке В срывается с лопаток, пересекает осевой зазор и попадает у периферии ступени на лопатки НА той же ступени. При ударе капель о поверхность лопатки РК и разбрызгивании влаги ее часть попадает на лопатки НА, отражается от лопаток НА, ударяется о рабочие лопатки и снова попадает на направляющие лопатки в районе косого среза, т. е. происходит многократное отражение влаги (траектории DEFGH). В периферийной части лопатки безбандажной ступени попавшая на профильные поверх­ ности влага (траектории KLM) срывается с периферии и отра­ жается при ударе о периферийную стенку корпуса, отражается от нее и, снова взаимодействуя с лопатками (траектории MNO), приводит к их эрозии. На входных и выходных кромках рабочих лопаток имеются узкие площадки с углом ориентировки р1; рав­ ным 90°. По этим площадкам может быть осуществлено движение влаги вдоль кромок к периферии ступени. Сброс этой влаги на обвод ступени вызывает его эрозию (см. рис. 1.3).

Физическая картина движения влаги, составленная на основе расчетов и экспериментов в лабораторных условиях, подтвер­ ждается результатами обследования турбин, эксплуатируемых на электростанциях. В качестве примера на рис. III. 14, б„ в при­ ведены следы отложений на вогнутой (б) и выпуклой (в) сторонах рабочей лопатки 16-й ступени турбины К-50-90-2 ЛМЗ, проработав­ шей более 90 000 ч. Сброс влаги с входной кромки (рис. III.14, в, 2) привел к появлению зоны слабой эрозии 3 шириной 5—6 мм, про­ тяженностью 35—40 мм в периферийной части лопаток (зона 3). На вогнутой и выпуклой поверхностях лопатки просматриваются зоны сброса влаги против потока 4 и по потоку 5. Рассмотренная ступень имела периферийный бандаж, поэтому картина следов отклонений у периферийного конца носила его влияние.

Траектории движения в отдельной ступени и в группе ступеней неоднократно рассчитывались по формулам (II 1.33) для различ­ ных турбинных ступеней и целой влажнопаровой проточной части [22,5]. Полученные траектории сравнивались со следами движе­ ния влаги. В качестве примера был выполнен расчет 1 движения влаги по вогнутой и выпуклой поверхностям лопаток предпослед­ ней 17 и последней 18-й ступеней турбины К-50-90-2 ЛМЗ. По тепловому расчету на среднем диаметре на входе в 17-ю ступень

107